REMOCION DE ARSENICO (III) DEL AGUA USANDO OXIDO DE TITANIO (IV) COMO MEDIO ADSORBENTE

Miriam Z. López Paraguay (*)

Estudiante de doctorado en el área de Medio Ambiente y Energía del Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (Cimav)- México. Participó en diferentes proyectos de investigación en colaboración con la Universidad Estatal de Nuevo México (USA) y la National Science Fundation. En el área de la ingeniería se desempeñó como ingeniera sanitaria en diferentes empresas peruanas dedicadas al saneamiento y en empresas mineras.

María Teresa Alarcón Herrera

Investigadora del Centro de Investigación en Materiales Avanzados SC (Cimav), en el Departamento de Medio Ambiente y Energía. Chihuahua, Mexico.

José Apolinar Cortés

Investigador en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Michoacán, México.

Dirección del autor principal (*): Miguel de Cervantes 120, Complejo Industrial Chihuahua CP. 31109. Chihuahua, Chih., México. Teléfono: +51 (614) 4391121. email: miriam.lopez@cimav.edu.mx.

Resumen

El presente trabajo tiene como objetivo caracterizar el dióxido de titanio que es un material sintético comercialmente disponible, para evaluar su potencial como removedor de arsénico (As) trivalente (III) del agua subterránea, a través de mecanismos de adsorción.

El material caracterizado tiene un área superficial de 55.20 m2/g. El análisis de difracción de rayos X indicó que el material contiene 78.9% de TiO2 en fase cristalina anatasa y 21.1% de TiO2 en fase cristalina rutilo. El análisis experimental se realizó con una solución de 100 μg/L de As (III). Las dosis de dióxidos de titanio variaron de 0.1 y 1.7 g/L con agitación constante de 150 rpm. Se considero condiciones naturales de pH y temperatura. Los resultados indican que con dosis de 1.5 g/L de TiO2 y 54 minutos ó 1.7 g/L de TiO2 y 36 minutos de tiempo de contacto se logra obtener agua con concentraciones inferiores a 10 μg/L As (III), cumpliéndose con la normatividad internacional de calidad del agua. Para obtener agua de consumo humano es suficiente con emplear 1.2 g/L de TiO2 y 23 minutos de agitación. La capacidad máxima de adsorción del material fue de 245 μg/g.

Palabras clave: arsénico, agua, adsorción, oxido de titanio.

Introducción

El As forma parte de la composición geológica de una gran cantidad de acuíferos y usualmente se encuentra en pequeñas cantidades (i.e., 50 μg/l (Argentina), 135 μg/L (México-Chihuahua), >1000 μg/l (Bangladesh)), aunque suficientes para causar efectos adversos sobre la salud. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) y la Organización Mundial de la Salud (OMS) establecen como límite recomendable una concentración de 0,01 mg/L de As. En México, la concentración permisible en el agua de consumo humano es de 0.025 mg/L (NOM-127). Los óxidos de titanio representan una buena alternativa para remover As por su disponibilidad y bajo costo.

Experimentación

Del adsorbente: El dióxido de titanio (TiO2) utilizado fue del tipo Degussa P25, el cual es comercializado por Degussa México, S.A. de C.V.

De la solución de As: Se preparó una solución de 100 µg/L de As (III), usando meta arsenito de sodio (NaAsO2) al 100% de Laboratorios Fisher Scientific. Esta sal fue diluida en agua proveniente de pozos de agua subterránea de la ciudad de Chihuahua.

Metodología: Se puso en contacto la solución preparada de As con las diferentes dosis de adsorbente, mediante el uso de un equipo de Prueba de Jarras. Las dosis de TiO2

variaron de 0.1 y 1.7 g/L y el tiempo hasta de 3 horas. La

agitación fue de 150 rpm (A. Maiti et_al.; 2007). El sobrenadante fue llevado a digestión para luego cuantificar el As. Las pruebas se corrieron a temperatura ambiente y sin alterar el pH natural del agua.

Análisis: El área superficial del material se determinó por el método Brunauer-Emmett-Teller (BET) con un analizador de área superficial Marca Quantachrome Corporation. La estructura sólida del adsorbente fue analizada con un difractómetro de rayos X marca Phillips, modelo X´Pert PRO y el análisis elemental se realizó con un microscopio electrónico de transmisión-TEM, marca Philips (FEI), modelo CM-200. Para la determinación de las concentraciones del arsénico se utilizó un espectrofotómetro de absorción atómica con generación de hidruros (marca GBC, Modelo Avanta Sigma).

Resultados y discusión

Área superficial: El área superficial fue de 55.20 m2/g. La isoterma BET de adsorción y desorción carece de histéresis y es semejante a una del tipo II, según la clasificación de isotermas BET (S. J. Gregg, et al,;1967). Esto indica que se trata de un material no poroso en cuya superficie se desarrolla una adsorción por monocapa y luego por multicapas, es decir la afinidad del adsorbato por el adsorbente es algo mayor que la afinidad del adsorbato por si mismo.

Difracción de rayos X: El análisis indica que el material esta conformada por un 78.9% de TiO2 en fase cristalina anatasa y el 21.1% de TiO2 en fase cristalina rutilo (valores coincidentes con P. K. Dutta et al., 2004). La Fig. 1 muestra el difractograma de rayos X.

Fig.1: Difractograma de Rayos X del TiO2

Microscopio electrónico de transmisión – TEM: La composición inorgánica del TiO2 esta dada por un 61.43% de titanio y un 38.57% de oxigeno (Fig.2a). Las micrografías (Fig.2b) muestran la granulometría uniforme del material, donde sus partículas son de forma y borde definido.

Fig.2: a) Espectro EDS tomado a 38 kX y 15.5 keV b) Micrografías tomadas a: b1:11.5 KX y b2:38 KX

Eficiencias de remoción de As: En la Fig. 3a se observa que la velocidad de adsorción durante los primeros 30 minutos es altísima provocando que el adsorbente se sature rápidamente, en la siguiente media hora la velocidad de adsorción disminuye de forma marcada, con lo cual el TiO2 alcanza la completa saturación. El tiempo en el que el sistema llega al equilibrio fue al cabo de una hora, hay que resaltar que este tiempo fue independiente de la dosis de adsorbente empleada. Inicialmente se observa que a mayor dosis de TiO2, mayor es la cantidad de arsénico removido; sin embargo, a medida que las dosis aumentan, es mínimo el incremento en la eficiencia de remoción.

Las condiciones óptimas de operación son 1.5 g/L de TiO2 y 54 minutos de agitación, ó 1.7 g/L de TiO2 y 36 minutos de tiempo de contacto. Con ambas condiciones se logra remover más del 92% de arsénico del agua (<10 μg/L As (III)). Para obtener la concentración requerida en agua de consumo humano es suficiente con emplear 1.2 g/L de TiO2 y 23 minutos de agitación. El tipo del proceso de adsorción fue una fisisorción. M.E. Pena et al.; 2005 logró eficiencias de remoción del 38% para TiO2 P25 y del 90% para nanocristales de TiO2.

200 nm

b1

b2

60 nm

Fig. 3: Eficiencia de remoción de As(III) con TiO2

(Co: 120 µg/L As; pH: 8.0±0.2; agitación: 150 rpm, Temp: 26±1ºC)

Conclusiones

El presente estudio comprueba que el material compuesto por óxidos de titanio, es un adsorbente altamente efectivo en la remoción de As (III). Se logró remover el 92% de As+3, usando dosis de 1.5 g/L de TiO2 y 54 minutos de agitación ó 1.7 g/L de TiO2 y 36 minutos. Esta prueba nos permite obtener agua tratada con la calidad requerida por los estándares internacionales (<10 µg/L). La capacidad máxima de adsorción del material fue de 245 μg de As (III) por cada gramo de TiO2.

Referencias Abhijit Maiti, Sunando Das Gupta, Jayant Kumar

Basu, Sirshendu De. 2007. Adsorption of arsenite using natural laterite as adsorbent. Separation and Purification Technology 55: 350–359.

Pena Maria E., Korfiatis George P., Patel Manish, Lippincott Lee, Xiaoguang Meng. 2005. “Adsorption of As(V) and As(III) by

nanocrystalline titaniumdioxide”. Water Research 39: 2327–2337.

Paritam K. Dutta, Ajay K. Raya, Virender K. Sharma, Frank J. Millero. 2004. Adsorption of arsenate and arsenite on titanium dioxide suspensions”. Journal of Colloid and Interface Science 278: 270–275.

S. J. Gregg y K. S. W. Sing. 1967. Introduction y Physical adsorption of gases by non-porous solids. Adsorption, Surface Area and Porosity. Academic Press Inc. London Inglaterra y New York USA. Pp. 1-8 y 93-108.

Bissen Monique, Vieillard Baron Morgane Marie, J. Schindelin Andreas, H. Frimmel Fritz. “TiO2

catalyzed photooxidation of arsenite to arsenate in aqueous samples”. Chemosphere 44: 751-757.

Modificación a la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, Salud Ambiental. Agua para uso y consumo humano.

EPA: Agencia de Protección Ambiental OMS: Organización Mundial de la Salud

Dosis TiO2 (g/ L)

Tie

mp

o (

ho

ras)

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

3,02,82,62,4

2,22,01,81,61,41,21,0

0,80,60,40,20,0

> – – – – – < 10

10 2525 5050 7575 100

100 120120

(ug/L)Concentración

Contour Plot of Concentración (ug/ L) vs Tiempo; Dosis

Dosis TiO2 (g/ L)

Tiem

po (

hora

s)

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

3,0

2,8

2,6

2,4

2,2

2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

> – – – – – < 10

10 2525 5050 7575 100

100 120120

(ug/L)Concentración

Contour Plot of Concentración (ug/ L) vs Tiempo; Dosis